Проектирование каскада, привода и энкодера.

Компоненты, составляющие вашу высокоточную систему позиционирования — подшипники, система измерения положения, двигатель и привод, а также контроллер — должны работать максимально согласованно. В части 1 рассматривались основание системы и подшипники. В части 2 рассматривалось измерение положения. Здесь мы обсудим конструкцию платформы, привода и энкодера; усилитель привода; и контроллеры.

Три наиболее распространенных метода сборки линейных направляющих при использовании линейных энкодеров:
• Привод и энкодер располагаются в центре масс направляющей или как можно ближе к нему.
• Привод расположен в центре масс; энкодер крепится с одной стороны.
• Привод расположен с одной стороны, энкодер — с другой.

В идеальной системе привод расположен в центре массы направляющей вместе с энкодером. Однако это обычно непрактично. Обычно компромиссное решение заключается в размещении привода немного смещенным в одну сторону, а энкодера — немного смещенным в другую. Это дает хорошее приближение к центральному приводу с обратной связью по движению рядом с приводной системой. Центральные приводы предпочтительнее, поскольку приводная сила не создает нежелательных векторов силы в направляющей, вызывающих скручивание или перекос. Поскольку подшипниковая система плотно ограничивает движение направляющей, перекос приведет к увеличению трения, износа и неточности позиционирования нагрузки.

Альтернативный метод использует портальную систему с двумя приводами, по одному с каждой стороны направляющей. Результирующая сила привода имитирует центральный привод. При этом методе можно расположить датчик положения в центре. Если это невозможно, можно разместить энкодеры с каждой стороны и управлять столом с помощью специального программного обеспечения для портальных приводов.

Усилитель привода
Усилители сервопривода принимают управляющие сигналы, обычно ±10 В постоянного тока, от контроллера и обеспечивают выходное рабочее напряжение и ток для двигателя. В целом, существует два типа усилителей мощности: линейный усилитель и усилитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Линейные усилители неэффективны и поэтому используются в основном в маломощных приводах. Основными ограничениями выходной мощности линейного усилителя являются тепловые характеристики выходного каскада и характеристики пробоя выходных транзисторов. Рассеиваемая мощность выходного каскада представляет собой произведение тока и напряжения на выходных транзисторах. ШИМ-усилители, напротив, эффективны и обычно используются для мощностей свыше 100 Вт. Эти усилители переключают выходное напряжение на частотах до 50 МГц. Среднее значение выходного напряжения пропорционально управляющему напряжению. Преимущество этого типа усилителей заключается в том, что напряжение переключается между включенным и выключенным состоянием, что значительно увеличивает рассеиваемую мощность.

После выбора типа усилителя следующим шагом является обеспечение того, чтобы усилитель мог обеспечивать требуемый непрерывный ток и выходное напряжение на требуемых уровнях для максимальной скорости вращения двигателя (или линейной скорости для линейных двигателей) в данном применении.

Для бесщеточных линейных двигателей можно провести еще одно различие между усилителями. Обычно используются два типа коммутации двигателя: трапецеидальная и синусоидальная. Трапецеидальная коммутация — это цифровой тип коммутации, при котором ток для каждой из трех фаз либо включается, либо выключается. Обычно это делают датчики Холла, встроенные в двигатель. Внешние магниты запускают работу датчиков. Однако взаимосвязь между датчиками Холла, обмотками катушки и магнитами имеет решающее значение и всегда включает небольшой допуск по положению. Поэтому время отклика датчиков всегда немного смещено по фазе относительно истинного положения катушки и магнита. Это приводит к небольшим изменениям в подаче тока на катушки, что неизбежно вызывает вибрацию.

Трапецеидальная коммутация менее подходит для очень точного сканирования и приложений с постоянной скоростью. Однако она дешевле синусоидальной коммутации, поэтому широко используется в высокоскоростных системах «точка-точка» или в системах, где плавность движения не влияет на обработку.

При синусоидальной коммутации переключение «вкл/выкл» не происходит. Вместо этого, посредством электронного переключения, фазовый сдвиг тока в 360 градусов между тремя фазами модулируется по синусоидальной схеме. Это обеспечивает плавную и постоянную силу от двигателя. Поэтому синусоидальная коммутация хорошо подходит для создания точных контуров и для применений, требующих точной постоянной скорости, таких как сканирование и системы машинного зрения.

Контроллеры
Существует больше классов контроллеров, чем мы можем здесь адекватно обсудить. В основном, контроллеры можно разделить на несколько категорий в зависимости от языка программирования и логики управления.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используют «лестничную» логическую схему. Они применяются в основном для управления множеством дискретных функций ввода/вывода (I/O), хотя некоторые из них предлагают ограниченные возможности управления движением.

Системы числового программного управления (ЧПУ) программируются с помощью стандартного промышленного языка RS274D или его варианта. Они могут выполнять сложные движения, такие как сферические и спиральные формы, с многоосевым управлением.

В системах, не использующих ЧПУ, применяются различные проприетарные операционные системы, включая простые в использовании интерфейсные программы для базовых профилей движения. Большинство таких контроллеров представляют собой базовый модуль управления без монитора или клавиатуры. Контроллер взаимодействует с хостом через порт RS-232. Хостом может быть персональный компьютер (ПК), простой терминал или портативное коммуникационное устройство.

Практически все современные контроллеры являются цифровыми. Они обеспечивают уровень надежности и простоты использования, неслыханный в аналоговых контроллерах. Информация об обратной связи по скорости обычно получается из сигнала положения оси. Все параметры сервопривода регулируются программно, а не путем трудоемкой настройки потенциометров усилителя привода, которые имеют тенденцию к дрейфу после использования и при изменении температуры. Большинство современных контроллеров также предлагают автоматическую настройку всех параметров сервопривода осей.

Более совершенные контроллеры также включают распределенную обработку и управление осями с помощью цифрового сигнального процессора (DSP). DSP — это, по сути, процессор, специально разработанный для очень быстрого выполнения математических вычислений (по крайней мере, в десять раз быстрее, чем микропроцессор). Это может обеспечить время выборки сервопривода порядка 125 мс. Преимуществом является точное управление осью для поддержания постоянной скорости и плавного контурного движения.

Алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) фильтра, а также опережающая связь по скорости и ускорению улучшают сервоуправление осью. Кроме того, S-образное программирование профилей ускорения и замедления контролирует рывки, обычно сопровождающие начало и остановку движения стола. Это обеспечивает более плавную и контролируемую работу, что приводит к более быстрому установлению как положения, так и скорости.

Контроллеры также обладают широкими возможностями цифрового или аналогового ввода/вывода. Пользовательская программа или подпрограмма может изменяться в зависимости от положения, времени или информации о состоянии, значений переменных, математических операций, внешних или внутренних событий ввода/вывода или прерываний по ошибкам. Пользовательский процесс легко автоматизируется.

Кроме того, большинство контроллеров могут повысить разрешение обратной связи по положению за счет электронного умножения. Хотя умножение в 4 раза является распространенным, некоторые продвинутые контроллеры могут умножать значение до 256 раз. Хотя это не обеспечивает повышения точности, это приводит к реальному увеличению стабильности положения осей и — что более важно во многих случаях — к повышению повторяемости.

В вашем общем подходе, помимо упомянутых выше факторов, необходимо учитывать и другие факторы, которые могут повлиять на выбор компонентов, такие как бюджет, условия эксплуатации, срок службы, простота обслуживания, среднее время безотказной работы (MTBF) и предпочтения конечного пользователя. Модульный подход позволяет собирать систему из стандартных, легкодоступных компонентов, которые будут соответствовать даже самым требовательным условиям эксплуатации, если система будет проанализирована с нуля на предмет общей совместимости компонентов.